실험(6) 4주차 – Design of Antenna

실험(6) – IT시스템종합설계

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Introduction

• 안테나의 기본적인 동작조건

Z_S = Impedance of source

Z_trans = Impedance of transmission line

Z_ant = Impedance of antenna

Z_r = Impedance of radiation

Z_S

Z_r

Z_trans

Z_ant

P_r

Condition ①

Example for well designed antenna

P_ant

P_trans

P_trans = loss for transmission line

P_ant = loss for antenna

P_r = radiating power

V_s

Z_S = Z_trans + Z_ant + Z_r

Impedance matching

Full radiation

Condition ②

Condition ③

Induction of specific direction of current

J

J: Electric current density

Source

Transmission

line

Antenna

Free-space

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Introduction

• Type of Antennas : Wire - Omni-directional pattern (Dipole, monopole)

Dipole

Monopole

J

J 🡪 E

H

H

E

J 🡪 E

H

H

E

Plane wave

(Parallel E/H-field to antenna)

Plane wave

(Parallel E/H-field to antenna)

Radiation pattern

of dipole/monopole

J: Electric current density

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• Type of Antenna: Directional pattern (Patch antenna)

Introduction

M: Magnetic current density

Radiation pattern

of patch antenna

Structure

• 구조 상으로 다이폴 및 모노폴 안테나가 2개가 있는 것 같은 구조

(두 magnetic current가 평행하게 형성됨)

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Introduction

• 실험 (6) 수업 방향

One current antenna

(Dipole)

Two current antenna

(Patch)

Antenna parameters

Multi current antenna

(Array factor)

2,3주차

4주차

5주차

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Design of Dipole Antennas

• 다이폴 안테나의 등가회로

λ₀/4

λ₀/4

Radiating

region

Z_S

Z_r

V_s

Source

& Transmission

line

Dipole

antenna

Radiating

region

Equivalent circuit of dipole antenna

Z_r = 73Ω

_{(반파장 공진 기준)}

• 다이폴 안테나는 두 개의 arm 구조와 공기의 방사 임피던스가 연결된 단상 전송선로로 구성됨.
• Arm의 전체 길이가 λ₀/2이며, 이 반파장 구조는 diople안테나 구조를 무시하고 Z_r만 보이도록 하는 효과가 있음.

Arm 1

Arm 2

Arm 1

Arm 2

λ₀/4

λ₀/4

Z_S

Z_r

V_s

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Design of Dipole Antennas

• 다이폴 안테나의 등가회로

R_in = Input impedance(antenna + radiating region)

R_r = Impedance of radiating region

β = Propagation constant [rad/lambda]

l = Length of dipole antenna [lambda]

I_in = Input current for source [A]

I₀ = maximum current [A]

• 다이폴 안테나의 길이에 따라서 입력 임피던스의 영향이 발생
• 반파장일 때 R_in = Rr으로 계산되며, 일반적으로 반파장의 다이폴 안테나가 실용화됨.

Node 1

Node 2

🡪 반파장 길이일 시, Node 1과 node 2의 전압 및 전류는 동일 🡪 안테나 회로 삭제

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Patch Antennas Theory

• Radiation Model of Patch Antenna

Two magnetic currents (two slot, array of magnetic dipole)

Half wave resonance

E-field

• Dipole antenna와는 다르게, patch antenna는 magnetic current를 활용하는 두 slot antenna의 배열로 구성됨.

Dipole antenna

J 🡪 E

H

Slot antenna

H🡪 M

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Patch Antennas Theory

• Radiation Model of Patch Antenna

Calculation result (MATLAB)

• Theoretical maximum directivity of patch antenna : D₀=6.6=8.2 [dBi]

Two magnetic currents (two slot, array of magnetic dipole)

• Radiation pattern

Half wave resonance

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Patch antennas Theory

• Antenna Parameters (L, W)

L

W

Patch

Substrate

Air

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• Resonance of patch antenna (L)

Patch antennas Theory

L_eff

Half wave resonance

Half wave

resonance

L_eff : Total effective length

L : Physical length

ΔL : Effective length for fringing effect

L

ΔL

ΔL

Fringing effect

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Patch antennas Theory

• L, W의 보편적인 수식 (근사치 기반)

L

W

Patch

Substrate

Air

• 아래 수식은 실용화가 가능하도록 설계된 근사된 수식들이며, 특히 W는 설계자의 재량에 따라 바꿀 수 있는 값임.

(W의 수식은 대역폭, 효율, 임피던스 매칭 등의 요소들을 고려하여 설계된 보편 수식임)

유전율에 따라 다르지만,

R_edge ≈ 100 ~ 400 Ω

h : height of substrate

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• Impedance matching method (Feeding types)

Microstrip feed (inset)

Coaxial feed

Aperture Coupled feed

Patch antennas Theory

3.5mm

임피던스 매칭 목표

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Patch antennas Theory

• Process of impedance matching (for inset feed)

: dependent on tuning

x₀

y₀

W₀

h : height of substrate

L

W

Air

L₀

or

① 안테나의 전체 임피던스 설정 수식 (둘 중 맞는 것으로 취사선택)

② Transmission line의 특성임피던스 계산식

Antenna

Transmission line

🡪Inset 및 coaxial feed 등에 모두 적용 가능

③ 전체 입력 임피던스 계산식

Source (Z_s)

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• Design Schematic of Patch Antenna (lossless substrate)

HFSS Simulation

Gx=72.2mm

Gy=72.2mm

Px=29.4mm

Py=38mm

Ix=9.5mm

Iy=9mm

Substrate

: FR4

Ground (PEC)

Patch (PEC)

Lumped port

Fx=30.9mm (0.5λ_g)

Fy=2.55mm

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• Operating frequency : 2.4 GHz
• Fractional bandwidth

HFSS Simulation

• Simulation Results

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HFSS Simulation

• Parallel resonance circuit

• Simulation Results

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HFSS Simulation

• Simulation Results

- Radiation pattern : E-plane(red) / H-plane(blue)

G₀=4.99

G₀=6.97 [dBi]

• Linear scale

• dB scale

Substrate

: FR4

E-plane(red)

H-plane(blue)

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HFSS Simulation

• Simulation Results

• Dielectric loss causes gain deterioration.

Substrate

: FR4

e₀=total efficiency

e_r=reflection efficiency

e_cd=radiation efficiency� (Conduction & dielectric loss)

: Leakage current of FR4

: Displacement current of FR4

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• Design Schematic of Patch Antenna (loss substrate)

HFSS Simulation

Gx=79.1mm

Gy=79.1mm

Px=29.7mm

Py=38.3mm

Ix=6.5mm

Iy=10.5mm

Substrate

: FR4

Ground (PEC)

Patch (PEC)

Lumped port

Fx=31.2mm (0.5λ_g)

Fy=2.6mm

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HFSS Simulation

• Simulation Results

S-parameter

Z-parameter

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HFSS Simulation

• Simulation Results

- Radiation pattern : E-plane(red) / H-plane(blue)

G₀=2.19

• Linear scale

• dB scale

Substrate

: FR4

E-plane(red)

H-plane(blue)

G₀=3.40 [dBi]

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